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第二章 光和眼

Lesson 2/11 | Study Time: 20 Min


2.1 光的直线传播




光的直线传播







光源























定义 描述
光源
- 能够发光的物体叫光源,例如:

① 自然光源:太阳。

② 人造光源:电灯。
光的传播
- 光在均匀介质中沿直线传播。

- 光在不同介质中的传播速度不同。
光速
- 真空中的光速:3 × 10⁸ m/s。

- 空气中的光速:近似为 3 × 10⁸ m/s。


光在不同介质中的传播速度






















介质 光速公式 速度关系
水 V水 = (3/4) × V真空 真空 > 水
玻璃 V玻璃 = (2/3) × V真空 真空 > 玻璃





光与声音传播速率的对比

























物理量 传播速率 是否需要介质 介质中的速度关系
光 - 在真空或空气中约 3 × 10⁸ m/s - 不需要介质 - 真空 > 空气 > 液态 > 固体
声音 - 在空气中约 340 m/s - 需要介质 - 固体 > 液态 > 气态





光线



















概念 描述
光线 - 光是沿直线传播的,可以用一条直线表示光的传播路线,并在直线上画箭头表示传播方向。
光的直线传播例证 - 影子:光遇到不透明物体时,在物体后方形成影子。
- 日食、月食、小孔成像。





光的特性



























特性 描述
物体发光与视觉形成 - 我们要看见物体,必须使物体表面产生光,并射入眼睛,才能形成影像。
发光体与非发光体 - 发光体:能自行发光的物体。
- 非发光体:不能自行发光,但能反射发光体的光线。
电影放映机现象 - 电影放映机将光线投射到荧幕,荧幕反射光线到眼睛,使荧幕看起来明亮,而荧幕前的空气却不亮。
光具有能量 - 光具有能量,能转换为其他形式的能量,如:
① 热能
② 电能
③ 化学能等。
















2.2 光的反射




光的反射







光的反射































概念 描述
光的反射 - 当光射到物体表面时,被反射回来的现象叫做光的反射。
入射点 (O) - 光线射到镜面上的点。
法线 (ON) - 通过入射点,垂直于镜面的一条直线。
入射角 (i) - 入射光线与法线的夹角。
反射角 (r) - 反射光线与法线的夹角。





光的反射定律



























定律内容 描述
同一平面 - 反射光线、入射光线与法线在同一平面内。
两侧分居 - 反射光线和入射光线分居法线两侧。
等角性 - 反射角等于入射角:r = i。
光路可逆 - 光的传播路径是可逆的。





镜面反射与漫反射


镜面反射



















特点 描述
定义 - 平行光线射到光滑镜面后,反射光线仍然是平行的。
观察效果 - 某一特定角度看是一片光亮,而其他角度看是一片漆黑。


漫反射























特点 描述
定义 - 平行光线射到凸凹不平的表面后,反射光线向不同方向传播。
观察效果 - 漫反射向各个方向反射光线,使我们从不同角度都能看到物体。
细节表现 - 不同角度观察时都能看到物体的细节。















2.3 平面镜成像




平面镜成像







平面镜成像的特点



























特点 描述
像与物体的距离相等 - 平面镜所成的像与物体到镜面的距离相等。
像与物体大小相同 - 平面镜成的像与物体的大小完全相同。
虚像 - 平面镜成的像是虚像,虚像不是实际光线的会聚,而是光线的延长线会聚形成的。
像与物体连线垂直镜面 - 像和物体的连线与镜面垂直。





平面镜成像作图方法



















方法 描述
根据光的反射定律作图 - 根据入射光线、反射光线与法线的关系,利用反射定律作出光路图。
利用平面镜成像特点作图 - 利用平面镜成像的特点(像与物体距离相等、像与物体大小相同、像是虚像等)简化光路图的绘制。





平面镜的应用























应用场景 描述
用来成像 - 利用平面镜成像的特点,常用于显示物体的虚像,如化妆镜。
改变光路 - 平面镜可用来改变光的传播方向,如光学仪器中的光路调整。
先改变光路再成像 - 通过组合光学系统,平面镜可以先改变光路,再利用其他元件成像。
















2.4 凹面镜和凸面镜




凹面镜和凸面镜







凹面镜























特点 描述
会聚光线 - 平行主轴的光经抛物面镜反射后会聚于一点,称为焦点。
会聚面镜 - 凹面镜具有会聚光线的功能,因此又称为会聚面镜。
成像性质
- 凹面镜可以形成以下成像:

① 放大的倒立实像。

② 缩小的倒立实像。

③ 放大的正立虚像。

④ 无法形成缩小的正立虚像。


凹面镜的应用



















应用场景 描述
汽车车前灯、手电筒灯头、探照灯 - 将光源置于抛物面镜的焦点上,使光线经反射后平行射出。
太阳炉 - 利用太阳光平行射至地面,经平面镜反射后射至凹面镜,再反射至凹面镜的焦点上集中热量。





凸面镜































特点 描述
发散光线 - 凸面镜具有发散光线的效果,因此又称为发散面镜。
成像性质
- 凸面镜形成的影像具有以下特点:

① 必为缩小的正立虚像。

② 可用于缩小影像以增加视野。
焦点性质 - 凸面镜的焦点为虚焦点,而凹面镜的焦点为实焦点。
成像对比 - 凸面镜的成像性质类似于凹透镜;凹面镜的成像性质类似于凸透镜。
定律对比 - 面镜应用的是反射定律;透镜应用的是折射定律。


凸面镜的应用



















应用场景 描述
道路转弯处的反光镜 - 用于扩大司机的视野,增加安全性。
汽车的后照镜 - 用于观察后方情况,形成缩小的正立虚像。





光速的变化































内容 描述
光速 - 光在真空中的速率为 3 × 10⁸ m/s。
不同介质中的光速 - 光在不同介质中的速率变化:真空 > 气体(空气) > 液体(水) > 固体(玻璃)。
折射现象 - 光从一种介质进入另一种介质时,由于速率改变,在界面处光线的传播方向会发生偏折,这种现象称为光的折射。
折射原因 - 光在不同介质中的速率不同,导致传播方向发生变化。
光年 - 光年是光在一年内传播的距离单位:1光年 = 9.64 × 10¹² km。














2.5 光的折射




光的折射







折射定律























内容 描述
同一平面 - 入射线、法线、折射线在同一平面上,且入射线与折射线分别位于法线的两侧。
从快到慢的介质 - 当光从速度快的介质传播至速度慢的介质时,折射线偏向法线,折射角小于入射角。
从慢到快的介质 - 当光从速度慢的介质传播至速度快的介质时,折射线偏离法线,折射角大于入射角。





光的行进路线


光在不同介质中传播时,由于速率的变化,会发生折射现象。



  • 快到慢:折射线靠近法线。

  • 慢到快:折射线远离法线。






折射的实例































实例 描述
筷子折断现象 - 插入水中的筷子,看起来像在水面处折成两截(向上折)。
铜板上浮现象 - 将铜板放在杯底,加满水后,铜板看起来似乎上浮。
海市蜃楼 - 由于空气密度不一致,光线折射形成的虚像现象,常见于海面或沙漠中。
火焰晃动现象 - 隔着火焰看物体,由于冷热空气密度不均匀,光线折射导致物体看起来晃动。
日出与日落时间变化 - 由于大气层对光的折射作用,日出比实际时间稍早,日落比实际时间稍晚。













2.6 凸透镜和凹透镜




凸透镜和凹透镜







透镜的基本概念



































术语 定义
透镜 - 至少有一个折射面是球面一部分的光学元件叫做透镜。
透镜分类 - 凸透镜:中间厚、边缘薄。
- 凹透镜:中间薄、边缘厚。
主光轴 - 通过两个球面球心的直线叫做透镜的主光轴。
光心 - 主光轴上有一个特殊点,通过它的光线传播方向不改变,这个点叫做透镜的光心。
焦点 - 平行于主光轴的光线通过凸透镜后会聚于一点,这点叫做凸透镜的焦点。
焦距 - 焦点到光心的距离叫焦距。





凸透镜的特点



















特点 描述
会聚作用 - 凸透镜对光线有会聚作用,因此也叫会聚透镜。
平行光线的变化 - 放在凸透镜焦点上的光源,经凸透镜后将变为平行光线。





凹透镜的特点



















特点 描述
发散作用 - 凹透镜对光线有发散作用,因此也叫发散透镜。
虚焦点 - 平行于主光轴的光线通过凹透镜发散后,其反向延长线的交点称为凹透镜的焦点,称为虚焦点,因为光线实际并未相交。





凸透镜的成像性质










































物体位置 成像位置 成像性质
物体在无穷远处 另一侧的焦点上 一点(实焦点)
物体在两倍焦距外 另一侧焦点与两倍焦距之间 倒立缩小实像
物体在两倍焦距上 另一侧两倍焦距上 倒立相等实像
物体在焦距与两倍焦距之间 另一侧两倍焦距之外 倒立放大实像
物体在焦距上 不成像 无
物体在焦点内 物体后方 正立放大虚像





凹透镜的成像性质



























物体位置 像的位置 成像性质
物在焦点外 焦点与镜面之间 缩小正立虚像,物与像在同一侧。
物在焦点上 焦点与镜面之间 缩小正立虚像,物与像在同一侧。
物在焦点与镜面之间 焦点与镜面之间 缩小正立虚像,物与像在同一侧。















全反射与彩虹的形成





全反射与彩虹的形成







全反射




全反射的条件



















条件 描述
光由光密介质进入光疏介质 - 光从光密介质(如水、玻璃)传播到光疏介质(如空气)时可能发生全反射。
入射角大于临界角 - 当入射角大于临界角时,光线不会进入光疏介质,而会完全反射回光密介质中。



全反射的应用



















应用场景 描述
光纤通讯 - 利用全反射原理,光信号在光纤中传播而不会散失,广泛应用于高速通讯技术。
仙女棒(光导棒) - 通过全反射将光集中导向特定方向,用于装饰或照明。





彩虹的形成




彩虹的原理























过程 描述
光的进入 - 太阳光从水滴的顶部射入,进入水滴后发生第一次折射。
光的反射 - 折射后的光在水滴内部发生一次反射。
光的射出 - 反射后的光从水滴中射出时,再次发生第二次折射,并分散成七彩光。



彩虹的特点






















颜色位置 仰角 描述
红光 仰角约 42° - 偏向角最小,位于彩虹的外侧。
紫光 仰角约 40° - 偏向角最大,位于彩虹的内侧。














2.8 物体的颜色




物体的颜色







光的颜色




光和颜色的关系



























现象 描述
光的色散现象 - 牛顿通过实验发现,阳光经过三棱镜会发生色散现象,分解成七种颜色:红、橙、黄、绿、蓝、靛、紫。
色散的原因 - 各色光在真空中速率相等,皆为 3×10⁸ m/s。
- 在介质中速率不同,导致折射程度不同。
折射程度顺序 - 红光折射程度最小,紫光折射程度最大。
- 折射程度:红 < 橙 < 黄 < 绿 < 蓝 < 靛 < 紫。
光速与折射率 - 光速改变时,光的折射率不变。



光的三原色



























三原色 描述
红、绿、蓝 - 红、绿、蓝是光的三原色。
三原色混合 - 三种色光完全混合后会形成白光。
彩色电视的原理 - 彩色电视通过调整萤光幕上三原色发光体的亮度比例,呈现出各种颜色。
太阳光的组成 - 太阳光是由不同色光混合而成。





物体的颜色




透明物体的颜色



















类型 描述
无色透明物体 - 无色透明物体的颜色与透过的光线及光源颜色相同。
有色透明物体 - 有色透明物体会吸收自身颜色以外的光,只让与其颜色相同的光透过。



不透明物体的颜色





































光源与物体颜色 红色光 蓝色光 绿色光
白色物体 红 蓝 绿
红色物体 红 黑 黑
蓝色物体 黑 蓝 黑
绿色物体 黑 黑 绿


为什么叶子呈绿色?
因为叶子吸收了其他颜色的光,只反射绿色光。






红外线和紫外线




红外线























特点 描述
位置 - 红外线位于可见光之外,最靠近红色光。
特点 - 温度高,可用于保持食物温度。
应用 - 黑暗中观察:物体温度比周围高时,会发出更多红外线,可用红外线仪器探测。



紫外线























特点 描述
位置 - 紫外线位于可见光之外,最靠近紫色光。
特点 - 能量高,可用于杀菌消毒。
应用 - 健康作用:适量紫外线照射可使皮肤细胞产生维生素D,有助于骨骼和牙齿健康。
- 风险:过量照射可能导致晒伤,甚至引发皮肤癌。















2.7 放大镜、显微镜、照相机和门镜




放大镜、显微镜、照相机和门镜







放大镜























特点 描述
构造 - 使用凸透镜作为主要元件。
物体位置 - 物体置于焦点内。
成像特点 - 同侧放大、正立、虚像。





显微镜























特点 描述
构造 - 物镜与目镜皆为凸透镜。
- 反光镜一面为平面镜,另一面为凹面镜。
物镜和目镜的焦距 - 物镜焦距较短,目镜焦距较长。
光线路径
1. 反光镜聚光:光线穿过载物台上的光圈进入物镜。

2. 第一次折射:物镜形成放大、倒立的实像(位于目镜的焦点内)。

3. 第二次折射:目镜将实像进一步放大,最终形成放大、倒立的虚像。





照相机



























特点 描述
构造 - 镜头为凸透镜。
- 底片为成像位置。
成像方式 - 改变像距以调整成像。
成像特点 - 缩小、倒立的实像。
成像规律
1. 远处物体:像距较小。

2. 近处物体:像距较大。

3. 物体置于两倍焦距外:成像位于焦距与两倍焦距之间。





门镜



























特点 描述
构造 - 由凹透镜和凸透镜组成。
凹透镜作用 - 将景物成正立、缩小的虚像。
凸透镜作用 - 将虚像进一步放大。
成像特点 - 正立、虚像。















2.9 眼和视觉




眼和视觉







眼的构造与功能




眼的基本结构































部位 描述
眼 - 是视觉器官,位于眼窝内,呈球状。
- 眼球外有三对眼肌,控制眼球上下、左右及斜方向的转动。
上下眼睑 - 保护眼睛,减少外界伤害。
结膜 - 眼睑内延伸出的薄膜,覆盖眼睛前部暴露在外界的部分。
泪腺 - 位于眼球外上方,分泌泪水。
泪水功能 - 润滑结膜、清洗尘埃、减少眼睑开闭时的摩擦。



眼球的部位及功能



































































部位 构造 功能
巩膜 - 眼球壁最外层,白色不透明。 - 保护眼球。
脉络膜 - 眼球壁中间层,含微血管及色素细胞。 - 供应养料予眼球。
视网膜 - 眼球壁最内层,含视觉细胞:
1. 锥状细胞:对强光及颜色敏感。
2. 杆状细胞:对黑白敏感。
- 感受光的刺激,形成物象。
眼角膜 - 巩膜与眼球前端鼓出部位的透明膜。 - 折射光线进入眼球内。
睫状肌 - 脉络膜于眼球前方两侧膨大突出的部位。 - 固定悬韧带,调节晶体形状。
虹膜 - 睫状肌前的小突起,颜色因种族不同(如黑、棕、蓝)。 - 控制瞳孔大小,调节光量进入。
瞳孔 - 虹膜中央的小孔。 - 调节光线进入眼球的量。
晶体 - 位于虹膜后方,透明有弹性,形状似双凸透镜。 - 调节焦点,使光线聚焦在视网膜上。
悬韧带 - 位于晶体两端。 - 拉牢晶体,协助调节晶体形状。
黄点 - 视神经上方视网膜上的凹陷点,含许多锥状细胞。 - 感光最敏感的部位。
盲点 - 视神经从视网膜出口处,不含视觉细胞。 - 无视觉产生。





视觉的形成


视觉的形成包括以下步骤:



  1. 光线通过眼角膜和晶体折射,最终聚焦于视网膜上。

  2. 光线在视网膜上形成倒立、缩小的实像。

  3. 信息通过视神经传递至大脑。

  4. 大脑处理信息,将倒立的物象纠正为直立的视觉。






远近调节
































观望远或近物 看远物时 看近物时
睫状肌 放松 收缩
悬韧带 拉紧 松弛
晶体 薄状 厚状
焦距 增长 缩短





光量调节






















环境变化 瞳孔反应 肌肉反应
光亮处至暗室 弱光下,瞳孔扩大以增加光线进入。 放射状肌收缩,环状肌松弛。
暗室至光亮处 强光下,瞳孔缩小以减少光线进入。 放射状肌松弛,环状肌收缩。

控制光量的结构:虹膜由环状肌和放射状肌组成,控制瞳孔的大小。















2.10 眼的缺陷与其矫正




眼的缺陷与其矫正







近视























特点 描述
表现 - 患者只能看清近物,看远物模糊。
成因
1. 眼角膜或晶体弧度过于弯曲。

2. 眼球前后径太长,导致光线在视网膜前聚成焦点。
矫正方式 - 配戴凹透镜:使光线向外略折射,焦点后移至视网膜上。





远视























特点 描述
表现 - 患者只能看清远物,看近物模糊。
成因
1. 眼角膜或晶体过扁。

2. 眼球前后径太短,导致光线在视网膜后聚成焦点。
矫正方式 - 配戴凸透镜:使光线向内略折射,焦点前移至视网膜上。





散光























特点 描述
表现 - 患者观察物体模糊,物象与物体的形状不同。
成因 - 眼角膜或晶体的凸面曲度不规则,导致平面光线和垂直光线无法在视网膜上聚成焦点。
矫正方式 - 配戴柱面透镜:使光线在视网膜上聚成焦点。





色盲



























特点 描述
表现 - 患者无法分辨某些颜色,或完全无法分辨颜色(仅能分辨明暗)。
成因 - 遗传病,由于视网膜上的锥细胞缺乏某些感光色素(红、蓝、绿)。
类型
1. 半色盲:如红、绿色盲,较为常见。

2. 全色盲:完全无法分辨颜色,仅能分辨明暗。
矫正方式 - 目前无有效矫正方法,但可通过特殊滤光眼镜辅助改善部分色觉问题。